（机械电子工程专业论文）广播发射机控制器测试平台和控制网络集线器的设计.pdf

旧川i 大学硕卜学位论史v产6 5 43 2 6广播发射机控制器测试平台和控制网络集线器的软硬件设计机械电子工程专业研究生：李绍卓指导教师：郭祚达广播发射机控制器是广播发射机中的核心部件之一，它的质量的好坏直接关系到广播发射机是否能正常工作，所以对广播发射机控制器进行正确性测试是一个关键的环节。广播发射机控制器测试平台就是一种能方便快速地检测广播发射机控制器正确性的测试仪器。本论文的一个重点就是对该仪器的硬件系统和软件系统的设计进行了阐述。本论文另外一个重点是对广播发射机控制网络集线器硬件系统和软件系统的设计进行阐述。随着广播业的发展，需要用计算机对广播机进行集中控制，从而产生了广播发射机控制网络，而集线器则是构成该控制网络相互通道的核心部件，其质量的好坏、性能的优劣直接关系到整个控制网络是否能正常的运行。对广播发射机控制器测试平台，论文首先说明了研究测试平台的意义和测试平台所要测试的内容，在此基础上，从硬件和软件的角度分别阐述了在微机嵌入式和微机扩展式二种思路下设计出来的测试平台，之后对这二个测试平台进行了对比，最后介绍了在测试平台设计中所采取的抗干扰措施。对微机嵌入式测试平台，硬件c p u 选择了a t 8 9 c 5 1 ，根据发射机控制器的输入输出通道的特点，确定了测试平台的输入输出通道以及人机接口；在软件上，根据硬件电路的特点，对测试平台进行定义，之后绘制流程图编写程序以及对其进行调试。对微机扩展式测试平台，在硬件上考虑了测试平台输入输出设备及其与p c菇：倒譬套专蹲舀舷一 * 岛? 0 7 v 诗i四川大学硕士学位论文机的连接方式，为了代替d a 器件、降低成本，且使输出模拟量尽量线性化，采用了x i c o r 公司生产的数字电位器x 9 3 1 3 ：在软件上，根据硬件电路和广播发射机的特点，编写了上位机程序、通信程序和下位机程序。对广播发射机控制网络集线器，论文首先说明了广播发射机控制网络产生的原因，在此基础上，说明了广播发射机控制网络相互通道的特点、面临的环境以及对所处环境应当采取的措施，之后介绍了集线器的二种模型，对比了它们的优缺点，然后确定了集线器的硬件电路，之后介绍了该硬件电路的组成和软件系统以及系统所采取的抗干扰措施。关键词：测试平台控制网络相互通道x 9 3 1 3四川i 大学硕士学位论文r & do nt h et e s t i n gp l a t f o r mf o rt h ec o n t r o l l e ro fr a d i ot r a n s m i t t e rr & do nt h eh u bf o rt h ec o n t r o in e t w o r ko fr a d i ot r a n s m i t t e rm a j o r ：m e c h a t r o n i c sc a n d i d a t e ：us h a o z h u os u p e w i s o r ：g u oz u o d at h ec o n t r o l l e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t sf o rr a d i ot r a n s m i t t e r ；i t sq u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fr a d i ot r a n s m i t t e r t h et e s t i n gp l a t f o r mi st h er i g h td e v i c et h a te n s u r e st h eq u a i l t yo fc o n t r o l l e r o n eo ft h ek e yp o i n t so ft h i sp a p e ri st od e s c r i b eh o w w ed e s i g nt h et e s t i n gp l a t f o r mf o rt h ec o n t r o l l e ro fr a d i ot r a n s m i t t e r ，b o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n o t h e rk e yp o i n to ft h i sp a p e ri st os h o wh o ww ed e s i g nt h eh u bo ft h ec o n t r o ln e t w o r k sf o rr a d i ot r a n s m i t t e r ，a l s oi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei ti st h ed e s i r et oc o n t r o it h er a d i ot r a n s m i t t e rc o n v e n i e n t l ya n dr a p i d l yv i ap ct h a tg i v e sb i r ht ot h ec o n t r o ln e t w o r ko fr a d i ot r a n s m i t t e r ，t h eh u bi st h ek e ye l e m e n tf o rt h ec h a n n e lo fc o n t r o ln e t w o r k w h e t h e ri ti sg o o do rn o td i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec o n t r o lr e t w o r k a st ot h et e s t i n gp l a t f o r m ，w ef i r s t l ye x p l a i nt h em e a n i n go fr & do ni ta n dt h ec o n t e n t si tm u s tt e s t ，f o l l o w e db ys h o w i n gh o w w er e a l i z ei ti ns o f t w a r ea n dh a r d w a r eu n d e rt w od i f f e r e n ts o r t so fm e t h o d ，f o l l o w e db yt h ec o m p a r i s o no ft h et w ok i n d so ft e s t i n gp l a t f o r m f o l l o w e db yt h em e t h o d st h a tw ee m p l o yt oa v o i dt h ej a mi nt h ee n df o rt h eh u b ，f i r s t l y ，w ee x p l a i nt h em e a n i n go fr & do ni t ，f o l l o w e db ys h o w i n gh o ww er e a l i z ei t ，b o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n dt h em e t h o d st h a tw eu s et oa v o i dt h ej a ma te n d k e y w o r d s ：t e s t i n gp l a t f o r mc o n t r o ln e t w o r kc h a n n e li l i四i i 大学硕：l 学位论文一、绪论l _ 1 课题技术背景简介11 1 广播发射机及其控制器简介广播发射机，是一种电台用于将节目信号进行放大，调制并通过无线电波发射出去的设备。随着科学技术的发展，调频广播发射机在2 0 世纪9 0 年代中期，开始不断地掀起技术革新运动。从电子管和分离器件到全固态和超大规模集成块：从原来的a m 调制方式到当今的p d m 、p s m 、d a m 等多种调制方式；从分离器件的导线式的控制系统到集成电路和光纤的逻辑式控制系统等，理论与器件都发生了深刻的变化，这给发射机自动控制打下了坚实的基础。同时，随着计算机的发展和介入，调频广播发射机系统自动控制系统产生了质的飞跃。8 0 年代，国内开始采用可编程序时间控制器( p r o g r a m m a b l et i m ec o n t r o l l e r ) 、可编程序控制器( p l c ) 、单板机( 8 0 3 l 、p 8 0 l 、z 8 0 ) 对广播发射机进行自动控制。9 0 年代，开始把微处理机( m i c r o p r o c e s s o r ) 、微型计算机( m i c r o c o m p u t e r ) 作为发射机的一个不可分割的部件，与发射机融于一体，实现发射机的自动化。随着嵌入式计算机技术的流行，国内许多发射机生产厂家将单片机应用到广播发射机的自动控制和实时监测中，我们把这种应用于广播发射机自动控制中的单片机应用系统称为控制器。目前，广播发射机控制器的主要功能包括：按发射机运行图自动开关机( 包括启动与关闭控制系统电源、风机) ；自动巡检、监测、记忆和打印各级工作状态( 电压、电流) ，并能越限报警：记忆广播机运行状态和开关机时间；具有异态声光报警功能，并对典型故障有分析、诊断和处理功能；具有主机发生故障时启动备份功能“。11 2 本课题的研究意义a 发射机控制器测试平台的研究意义晴川人学硕士学位论文对广播发射机控制器这一重要部件，在每次出厂前都必须对其硬件和软件的正确性予以检测。检测其正确性，不能将其安装到广播发射机上进行，因为广播发射机的自我保护功能都是由其控制器来实现的，如果控制器本身出了问题，当广播发射机其他部分出现故障时，就会引起广播发射机的损坏。因此，需要有一种设备来对广播发射机控制器的硬件和软件进行正确性测试。我们将这种设备称为广播发射机控制器测试平台。有了该测试平台，就可以非常方便地测试出广播发射机控制器的正确性，当广播发射机控制器数量比较多的时候，更加显示出其优越性，大大的提高了生产率。b 发射机控制网络集线器的研究意义发射机控制网络集线器的出现，是由于发射机控制网络的产生。对广播电台而言，通常有多台广播发射机，为了能使对广播发射机事务操作更加的方便、快捷，就产生了用通用计算机对广播发射机进行集中控制的要求。对广播发射机进行集中控制，有以下几个方面的优点：优点一：广播发射机的操作人员可通过p c 机良好的界面看到每台发射机的运行状态，并对发射机进行各种设置，如对广播发射机定时开关机时间、修正系数的设黄等。这些设置如果通过广播发射机控制器来进行设置，就显得特别的烦琐。优点二：采用计算机集中控制，可以利用p c 机强大的存储能力，存储广播发射机大量的历史数据。对广播发射机控制器而言，其存储容量有限，并且，在p c 机上，利用其强大的显示能力，可以很方便地以各种报表的方式看到各种历史数据。对广播发射机控制器而言，如果要查询历史数据，要进行各种按键和翻屏操 乍，显得十分的烦琐。优点三：采用计算机集中控制，可以利用p c 机强大的通信平台，实现广播发射机的远程控制，达到异地办公。通过计算机，利用现在的实时网络或m o d e m技术，就可以达到这一点。所有这些优点的实现，必须依靠一个由p c 机和广播发射机控制器组成的控制网络。该控制网络硬件构成除了p c 机和广播发射机外，还必须有一个相互通叫川i 大学硕士学位论文道，该相互通道是p c 机和广播发射机实现通信，控制的通道。目前，广泛应用广播机控制网络有以下几种：基于m o d e m 的控制网络，其能实现的功能较简单，网络实时性差；基于串行总线标准r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 的控制网络，能实现较复杂的功能，网络实时性较好；基于现场总线技术如c a n 、f f 、p r o f i b u s 等的控制网络，能实现非常复杂的功能，但技术复杂，成本高；以上几种方法基本上代表了目前广泛应用于广播发射机的控制网络。从经济适用的角度出发，根据厂商的要求，我们选用了基于串行总线标准r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 的控制网络方式。集线器是网络种类确定后的必然产物，其是构成控制网络的相互通道的核心部件，本课题在实际应用的背景条件下，对其作了探索研究。1 2 课题的设计要求本课题是根据陕西数字广播设备有限公司的要求，设计实现应用于3 5 k w 、1 0 k w 调频广播发射机控制器的测试平台和应用于3 5 k w 、1 0 k w 调频广播发射机控制网络的集线器，分别在第二章和第三章予以介绍。测试平台所要测试的内容包括以下几方面：广播发射机控制器开机流程测试。包括对广播发射机控制器开机过程、开机过程中每一个步骤的延时时间和在开机过程中出现故障，广播发射机控制器所采取的保护措施的测试。 广播发射机控制器关机流程测试。包括对广播发射机控制器关机过程、关机流程中每一个步骤的延时时间的测试。广播发射机控制器数据采集正确性测试。包括广播发射机控制器对模拟量输入通道，开关量输入通道的硬件和软件的正确性测试。对1 0 k w 广播发射机，有8 9 路模拟量，1 2 路开关量；3 5 k w 广播发射机，有1 1 路模拟量，1 5 路开关量。广播发射机控制器输出通道的测试。包括对广播发射机控制器控制量的旧川人学顿士学位论文硬件、对应的命令码和广播发射机控制器产生控制量动作的正确性测试。对3 5 k w 广播发射机，有9 路控制量输出；1 0 k w 广播发射机，有1 5 路控制量输出。广播发射机控制器载波频率输入通道的测试。包括对广播发射机控制器载波频率输入通道的硬件和软件的正确性测试。 广播发射机控制器在正常运行后对故障处理正确性的测试对广播发射机控制网络集线器，要求有以下二个方面：由于工作在很强的电磁波干扰环境下，除了要具有良好的抗干扰能力外，还要求稳定、可靠，平均无故障运行至少l 万小时以上。从系统和经济的角度出发，集线器要具有较高的独立性，只要通信接口不改变，其硬件和软件就不会随着广播发射机控制网络系统其他部件的改动而改动；同时，也能适应于具有相同通信接口的其他系统，具有一定的通用性。四川大学硕十学位论文二、广播发射机控制器监控测试平台的设计2 1 微机嵌入式广播发射机控制器测试平台的设计2 1 1 微机嵌入式智能仪器的概述微机嵌入式智能仪器将微处理器及外围芯片有机地结合在一起，微处理器在其中主要起测量过程控制及数据处理的作用。这类智能仪器一般为专用或多功能产品。具有小型化、便携式、低功耗、易于密封、适应恶劣环境、成本低廉等特点。目前在工业控制、科研研究、军工企业、家用电器等方面广为应用。c p u 为仪器的核心，它通过内部总线及接口电路与仪器内存、输入通道、输出通道、仪器面板以及标准通信总线接口相连。程序存储器和数据存储器分别存放智能仪器的监控程序、应用程序和各类数据。外部数字信号须转换为微计算机可以接收的电平，直接送微型计算机或经过隔离电路处理再送入微型计算机，为使智能仪器能够快速灵活地对外部事件做出反应，设有若干外部中断申请。模拟输入通道往往是决定智能仪器测量准确度的关键部位，各类测量信号先由相应的传感器变换成电信号，再经智能仪器的模拟量输入通道( a d ) 送人微型计算机处理。模拟输入通道通常包括信号放大器、滤波器、多路转换器、采样保持器、a d 转换器、三态缓冲器等部分，特殊场合尚需在模拟输入通道中设置信号隔离功能。在智能仪器的输出部分，如果要求模拟量输出，则需经过模拟输出通道( d a ) ，它主要由d a 转换器、多路分配器、模拟保持器、低通滤波器等部分构成。智能仪器的数字量输出根据控制需要进行隔离、电平转换和驱动处理。与传统仪器相比，智能仪器的面板功能更强大，传递的信息更丰富、操作更方便。功能简单的仪器一般采用l e d 或液晶数码显示器显示各类数据，功能复杂的仪器则需要配置c r t显示器或点阵式液晶显示器显示数据和图形等”1 。2 1 2 系统总体设计基于上述思想，对广播发射机测试平台，我们构建了图2 1 所示的框架。人机的交互由7 段数码管、键盘完成。c p u 是测试平台的核心。对3 5 k w 、1 0 k w型号的区分在于c p u 里所运行的程序不同。明川大学硕士学位论文图21微机嵌入式广播发射机控制器测试平台结构图21 3 系统硬件设计2 1 3 1 单片机的选择c p u 采用的目前最为流行是a t 8 9 c 5 1 ，它是美国a t m e l 公司推出的a t 8 9系列单片机的一种，其特性如下：与m c s 一5 1 产品指令系统完全兼容4 k 字节可重复擦写f l a s h 闪存1 0 0 0 次擦写周期1 2 8 8 - 7 - 节内部r a m3 2 个可编程i o 口线 6 个中断源可编程串行u a r t 通道四川大学硕士学位论文2 1 3 2 模拟量输出接口的设计模拟量输出通道利用了光电隔离器进行输出电平的转换，电路如图2 2图22模拟量输出接口当u 1 4 c 和u 1 4 d 截止时，输出a o u t l 为2 5 v当u 1 4 c 导通，u 1 4 d 截止时，输出a o u t l 为5 v当u 1 4 c 截止，u 1 4 d 导通时，输出a o u t l 为0 v当u 1 4 c 导通，u 1 4 d 导通时，输出a o u t l 为0 v2 1 3 3 开关量输出接口的设计广播发射机控制器开关量输入通道的电路图如图2 3 ：图23控制器开关量输出接口四j i i 大学硕士学位论文针对该电路，我们对测试平台开关量输出采取了图2 4 电路攀：r 1 2 6寸d 啬= l el 望习当器融由虚益0 矗呈f = ji 塑里| 章乒( 1作：兰j 图24 开关量输出接口其中光电隔离的输入端由c p u 控制，l e d 的作用是显示是否有来自控制器的控制量。2 】3 4 键盘及其接口设计单片机应用系统的键盘设计一般有独立式和矩阵式两种。独立式键盘适用于所需按键不多且单片机的i o 口有较多空余的场合，它具有占用i o 多、c p u 资源少、不需译码的特点。而矩阵式键盘则要比独立式键盘复杂的多，其特点是硬件连线多、每次有键按下都需要软件译码，有时还需要专用的键盘译码芯片，如8 2 7 9 。在本次设计中，只需要1 6 个键，而且所需键的功能也不多，所以采用了独立式的键盘设计方案。按键的硬件电路如图2 ，5 ：四川大学硕士学位论文l k ! n- |_! ：h! ：! ：-。：h1 i 4_【i 。_11【f -z 。，l- 】 r】 rl i ，【rz 。- “。【f】e f “】【f 图2 5键盘键盘信号的输入，采取了中断驱动的方式，当有键按下时，就向c p u 发出中断请求信号，如果c p u 没收到中断请求，则不用关一1 5 , 是否有键按下。键盘中断信号的产生，由图2 6 电路实现：四川大学硕生学位论文k e y l珏y 2 正y 3髓y 4u 1 5旺y 9i e y l 0i e y l l髓y 1 2v c c图26键盘中断产生电路u 1 6压1 cn n t k e yv c c 卜2 d 卜书秀臣|凳臣采用该电路，相对于采用程序查询式输入键盘而言，虽然提高了c p u 的使用效率，使键盘的请求得到及时地响应，但缺点突出，主要表现在如下几个方面：a 硬件复杂，需要一系列的中断逻辑电路支持b 中断信号的出现是随机的，它使得整个程序的流程执行无法预料，并且对程序设计的技巧要求高，是引起故障的一大隐患。虽然有以上缺点，但对测试平台而言，能达到要求，是可行的。2 1 3 5l e d 接口设计l e d 显示器有静态显示和动态显示二种方式。所谓静态显示就是需要显示字符的各字段连续通过电流，使所显示的字段连续发光。而动态显示就是给所需显示字段断续通以电流，因而其发光是不连续的。例如，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把所需显示的字符显示出来。在每点亮一个字符之后，必须持续通电一段时间，使之发光稳定后再点亮另一字符，虽鬯w篮眦拈她扑m 珀舭k m h 甜鐾忱皿眦珏弘盯懵kmh甜网川i 大学硕+ 学位论文然同一时刻只有一个字符通电，e h 于人眼的视觉暂留现象和发光二极管的余辉效应，却感觉每个字符都在稳定地显示。静态显示与动态显示相比较而言，虽然硬件上要复杂一些，但静态方式的工作原理比较简单，编程也比较直观简单，程序间的相互关联很少，同时，对本系统而言，动态显示要用单片机i o 口数比静态显示要多，结合实际，本系统采用了静态显示的方式。对静态显示方式而言，为了能使c p u 将显示的数据送出后，l e d 显示器能持续显示，必须要有一个带锁存功能的接口驱动器件。对驱动器件的选择，需要考虑二个原则：a 器件的驱动能力，一般使用的l e d 显示器，其驱动电流往往为5 至1 5 m a ，因此选用普通的t t l 器件即可。b 显示数据的设置方式，根据c p u , ；l 脚的方便程度，选择并行或串行数据接口。在本系统中，l e d 电路如图2 7 ：图27l e d 电路其中从单片机并行数据! e l 输出的是压缩b c d 码，经过b c d 七段译码器后变成l e d 的显示数据。采用的b c 卜七段译码器为4 5 1 1 ，此芯片有锁存，译四j i l 大学硕上学位论文码和驱动三种功能，其驱动电流最大可达到2 5 m a 。2 1 3 6 关于对锁存电路的说明在本系统中，由于模拟量、开关量和控制量的数量远远大于a t 8 9 c 5 1 的i o口数，所以必须对i 0 口进行扩展，本系统中除了有对每路信号通路进行正确的选择，还对模拟量、开关量输出有保持的要求，为此，在电路中我们采用了锁存器7 4 l s 3 7 3 对输出的模拟量、开关量进行锁存，到达数据输出保持的效果。而锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存的触发，是由单片机写信号w r 完成的。在电路中，w r经过一非门控制一与门的导通，而与门上是7 4 l s 3 7 3 的片选信号，通过调用m o v x 指令就可达到输出数据并锁存的目的。2 1 3 7 控制量输入接口的设计控制量的输入接口，采用了二片三态门控制芯片7 4 l s 2 4 4 ，三态门由p 1 4 、p 1 5控制。2 1 4 系统软件设计2 1 4 1 系统软件的要求从所设计的硬件出发，该系统的软件有二种，一种是3 5 k w 机型的测试程序，另一种是1 0 k w 机型的测试程序，二种程序的原理和要实现的功能相同。测试软件所要完成的功能如下，a 应能对广播发射机控制器输出正确的模拟量、开关量信号，并能识别和显示来自广播发射机控制器的控制信号，并在规定的时间给出响应。b 对4 个7 段数码管进行显示，以特殊的方式显示出当前测试平台所处的工作状态，并能在七段数码管上以确定的数值显示出输出模拟量的大小。c 能对键盘输入进行识别、分析和显示。四川人学硕士学位论文2 1 4 2 系统软件的组成基于该系统软件设计的要求，我们采用层次化、模块化的方法，将该系统的软件组成分为主程序、键盘中断服务程序二大部分。主程序由初始化程序和监控主程序组成。初始化程序的功能是设置单片机的工作方式，将七段数码管置灰和将系统有关的存储单元置为初始状态。2 1 4 3 软件的实现( 1 ) 中断服务程序的实现对该中断服务模块而言，所要做的工作是对每个键进行定义，建立转移表和编写每个键所对应的子程序。转移表提供了键值对应的子程序的入口地址。由于键盘按键的数量少于模拟量、开关量的数量，所以必须考虑采用“一键多义”的方式，在本系统中，我们通过定义一个s h i f t 按键来实现，s 瑚f t 有二种状态，分别对应每个键不同的子程序。下面以本系统中按键9 说明键值的定义和s h i f t的关系，表2 1键值键功能s h i 丌= o键功能s h i f t = i说明k e y 0 9开关电源1 2 电压、反射功率信号i 第一功能反馈开关电流信号电源1 “2 电压电流信( a o u t l 9 a o u t 2 2 =4 8 vo r00 v )2 第二功能反馈反射功率信号( a o u t 3 = 4 8 vo r0 0 v )图2 8 是按键中断服务程序流程图明川大学硕士学位论文中断图2 8 按键中断服务程序流程图( 2 ) 监控主程序的实现监控主程序所要做的工作是提供键盘中断服务程序的入口，检测广播发射机控制器开关机命令、开关机的执行步骤以及其时序是否正确。若有来自广播发射四川i 大学硕士学位论文机的开关机命令，则在规定的时间内检测发射机控制器是否执行了正确的开关机步骤，对开关机操作的每一步都以特定的字符在7 段数码管上显示出来。同时，在规定的时间内，通过键盘可以干预开关机流程，以检查广播发射机控制器对故障的处理是否正确。图2 9 是监控主程序流程图，四川大学硕士学位论文图29 监控主程序流程图流程图四川大学硕士学位论文2 2 微机扩展式广播发射机控制器测试平台的设计22 1 微机扩展式智能仪器的概述微机扩展式智能仪器依托通用微型计算机( p c ) 扩展而成。由于p c 的软硬件资源非常丰富、应用十分普遍、价格处于不断下降的趋势，可将测量部分的各种功能电路板通过一定的方式与p c 机相连，把智能仪器中所需的人机交互、测量过程控制、数据存储、数据处理和显示都移交给p c 机承担。从而大幅度地缩短了智能仪器的研制周期，提高仪器系统的数据处理能力、获得良好的人机界面“3 。2 2 2 系统总体设计基于上述的思想，对广播发射机测试平台，我们构建了如图2 1 0 的框架。其中控制与采集仪器部分负责将广播发射机控制器来的控制指令传给p c 机和执行p c 机要求指令。p c 机负责人机的交互，整个测试过程的处理。在控制和采集部分不再区分所测控制器的型号，在p c 机上通过不同的程序加以区分四川大学硕士学位论文图2 1 0微机扩展式测试平台结构图2 23 系统下位机的硬件设计2 2 3 1 单片机的选择单片机我们选择了a v r 系列的的a t e m g a l 6 ，a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7年推出的全新配置精简指令集( r i s c ) 单片机系列。而a t m e g a 系列单片机是a v r中高档产品，它承袭了a t 9 0 所具有的所有特点，并在a t 9 0 的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面有了更大地提高a t e m g a l 6 特点如下：1 6 k 字节的f l a s h 存贮器，支持i s p 、l a p 编程”多达1 k 字节的s r a m 、3 2 个通用寄存器、三个数据指针5 1 2 个字节的e e p r o m2 0 个中断源，每个中断有独立的中断向量地址硬件u s a r t 、s p i 和基于字节处理的ic 接口2 个8 位定时计数器，1 个1 6 位定时计数器四川i 大学硕上学位论文3 2 个i 0 口2 2 3 2 模拟量输出接口的设计在模拟量输出通道的设计中，为了代替d a 器件、降低成本，且使输出模拟量尽量线性化，采用了新器件数字电位器，电路图如图2 1 l ：图21 1 模拟量输出接口数字电位器的输出端还接了一射极跟随器，以提高输出阻抗。( 1 ) 数字电位器与机械电位器的区别及其特点电位器是一种应用最广的电子元件之一。传统的电位器是通过机械结构带动滑片改变电阻值，因此可以称作机械式电位器，其结构简单、价格低，但由于受到材料和工艺的限制，最容易产生滑动片磨损，导致接触不良、系统噪声大甚至工作失灵。随着科技的发展，国外多家公司推出一种采用集成电路工艺生产的电位器，其外形像一只集成块，这种电位器采用数字信号控制，故称为数字电位器。数字电位器具有以下特点：采用集成电路工艺生产，具有良好的线性、精度和温度稳定性；采用电信号控制电阻的变化，应用范围广，使用灵活；滑动端位置由单片机、计算机或逻辑电路控制，通过编程自动调节电阻值，大大提高调节精度和自动控制能力；可以选择记忆功能和不记忆功能，选择记忆功能时将电位器当前的调节位置保存在非易失性存储器中，下次通电时自动恢复这一位置，四川人学硕士学位论文能自动消除手动调节的误差。若选择不记忆功能，当系统通电时数字电位器自动复位( 事先设定的位置) ，这一特性是机械电位器无法比拟的；温度稳定性好，抗冲击具有优越的环境适应性；没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装配：寿命长，可靠性高。数字电位器内部一般都包含有非易失性存储器，记忆电位器的工作状态。一般把这类器件简写为“e2pot ”。( 2 ) 数字电位器x 9 3 1 3 的简介x 9 3 1 3 是x i c o r 公司生产的一种非易失性三线接口型3 2 抽头数控电位器，图21 2数字电位器功能方框图r m融，w它包含有3 1 个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。其端电压为一5 v 至5 v ，3 2 个抽头。工作电流最大3 m a ，等待最大电流为5 0 0 u a ，电阻分辨率为3 ，绝对线性为1 0 m i ，相对线性为0 2 m i ，滑动端位置数据可保存1 0 0 年，滑动端位置存储于非易失性存储器中，四川大学硕上学位论文在上电时被重新调用。其功能方框图如图2 1 2 所示x 9 3 1 3 有三个部分：输入控制、计数器和译码部分，以及电阻阵列。输入控制部分的工作就象一个升降计数器。这个计数器的输出被译码而接通一个单接点的电子开关，以便把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。在适当的条件下，计数器的内容可以储存在非易失性存储器中并保持今后使用。电阻阵列包含3 2 个单独电阻串联连接。在二个端点以及每个电阻之间都有一个电子开关，可将该点的电位传输到滑动端。i n c 、u d 和c s 三个输入端控制滑动端沿着电阻阵列移动。只有c s 置低，x 9 3 1 3 被选中，才能使u d 和i n c 输入端接受信号。在i n c 输入端由高至低的变化将增加或减小( 这取决于u d 输入端的状态) 一个5 位计数器的值。这个计数器的输出被译码，进行三十二选一的操作，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当滑动端位于任一固定端点时，就象等效的机械滑动端一样，不会移动超出终端位置。即：当计数器达到一个极端时，不会循环回复( 当计数器达到全“l ”时不会跳到全0 ) 。只有当c s 由低电平转变为高电平，而这时i n c 输入端也是高电平时，计数器的值即被存储在非易失性存储器中。当电源恢复时，存储器中的内容被调用，因而计数器被设置到上一次存储的值上。表2 2 是其方式选择表：四j i l 大学硕士学位论文表22 数字电位器方式选择表c si n cu d方式lzh向上滑动ll向下滑动l存储滑动端位hxhxx等待电流不存储，返回lx等待2 2 3 3 开关量输出接口的设计对应于广播发射机控制器端的开关量输入通道，对开关量输出通道，采用了图2 1 3 的电路形式：图2 1 3 开关量输出接口2 2 3 4 频率发生器的设计对广播发射机控制器而言，还有对频率量进行计数的功能，因此，需要设计一种频率发生电路，以对控制器频率量计数功能是否正常作出判断。由于属于测试系统，所以对频率的稳定性有较高的要求。对一般的振荡电路，其振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平的时间，频率稳定性不四川大学硕十学位论文高，所以，我们采用了以下电路图2 1 4 频翠发生器该电路是在对称式多谐振荡器中接入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器，由于石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英晶体的固有谐振频率，而与外接电阻、电容无关，其频率稳定度高，所以作为频率发生器是合适的。图中u 1 6 c 起整形的作用。2 2 3 5 控制量输入接口的设计控制量的输入接e l ，采用y - - 片三态门控制芯片7 4 l s 2 4 42 2 4 系统的总体软件分析从系统的硬件出发，该系统的软件分为二大部分，一部分是上位机程序，一部分是下位机程序。上位机程序实现良好的监控测试平台界面和正确的事务处理，下位机是执行机构，二者通过它们的通信程序互相联系。软件所要解决的问题为：a 上下位机的通信问题b 下位机的程序c 上位机的程序下面几节对这三个问题予以论述。匹| 川l 大学硕七学位论文2 2 5 系统的通信技术2 2 5 1 概述在实际中，计算机与计算机之间、计算机与智能仪器之间、智能仪器与智能仪器之间，经常需要交换各种不同的数据。我们把不同设备之间进行的数字量信息的传输或交换称为数据通信。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种。并行通信，是指数据的各位同时进行传送的方式。其特点是传输速度快，但当距离较远，位数又多时导致通信线路复杂并且成本高。串行通信，是指数据按一位一位地顺序传输的通信方式。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适合于远距离通信，但传输速度慢。在串行传送中，没有专门的信号线可用来指示接收、发送的时刻并辨别字符的起始和结束，为了使接收方能够正确地解释接收到的信号，收发双方需要制定并严格遵守通信协议。串行传送有异步和同步两种基本方式，1 ) 异步通信控制是以字节为单位进行同步和速率控制的，允许通信双方的时钟不同步，对通信的要求低，目前应用最广泛。异步通信数据传输以字节为单位进行再同步，采用位同步的方法。一个数据字节编码为一帧，帧结构如图所示，发送器要发送数据字节时，首先在帧的开始位置上发送一个起始位，即置线路为逻辑“o ”，接着发送数据，数据有几位编码可以选择。数据位后面可以发送一位奇偶校验位。最后，发送器传送l ，1 5 或2 位逻辑“1 ”作为停止位，表示一帧结束。一字符帧图2 1 5 异步通信字符帧结构蹦川夫学硕士学位论文异步传送的标准波特率有很多种，目前常用的是3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 和1 9 2 0 0 b p s 。异步传送对每个字符都附加了同步信息，降低了对时钟的要求，硬件较为简单。但冗余信息( 起始位、停止位、奇偶校验位) 所占比例较大，数据的传送速度一般低于同步传送方式u ) 。2 ) 同步通信控制要求通信双方时钟保持严格一致，比异步通信要求更为严格苛刻，但是数据传输效率更高。目前常用的控制协议是双同步通信协议( b s c ) ，同步数据链路控制( s d l c ) 和高级同步数据链路控制( h s d l c ) 。他们均在同步传送过程中，必须规定数据的长度( 每个字符有效数据为几位) ，并以数据块形式传送，用同步字符指示数据块的开始。同步字符可用单字符、双字符或多字符。数据块之后为c r c ( c y c i i c r e d u n d a n c y c h e c k ，循环冗余校验码) 字符，用于检验同步传送的数据是否出错n ，。2 2 5 2 通信协议的制定在本设计中采用异步串行通讯方式，8 位数据位，l 位起始位，1 位停止位，偶校验，波特率9 6 0 0 b p s ，全双工。数据的帧格式为：前导码( b b ) + 长度码( 3 + x ) 十命令码( 1 ) + 参数码( x ) 十校验码( 1 ) + 结束码( 1 ) ，其中x 为参数码的字节数，前导码用于表明一个数据帧的开始，长度码为除前导码外整个数据帧的字节长度，命令码是通信程序用来表明具体操作的标识。2 2 。5 。3 单片机系统串行通信的设计”( 1 ) a v r 单片机u a r t 的特点及工作原理a t m e g a l 6 具有全双工通用异步收发器，其主要特点为在低时钟下仍然可以得到高的波特率8 或9 位数据噪声滤波四川i 大学硕+ 学位论文 过速检测帧错误检测错误起始位检测3 个独立的中断发送结束发送数据寄存器空接收结束工作原理如下：数据发送把待发送的数据写入u a r t 数据寄存器u d r 将起动数据发送。在如下情况下，u d r 的数据进入发送移位寄存器若前一个字符的停止位已经移出移位寄存器，则u d r 的数据立即送入移位寄存器。若前一个字符的停止位还没有移出移位寄存器，则要等到停止位移出后，u d r 的数据才送入移位寄存器。如果1 0 、1 1 位收发器移位寄存器为空，u d r 中的数据将传送到移位寄存器，此时，u d r e置位，表明u a r t 可以接收下一个数据。当数据送入移位寄存器的时候，移位寄存器的0 位起始位自动清零，而位9 和l o 停止位置位。如果选择了9 位数据格式，u a r t 的c h r 9 置位，则u c r 中的t x b 8 将送到移位寄存器的位9 u a r t 首先在t x d 引脚送出起始位，然后是数据低位在前，如果u d r 里有新数据，则u a r t 会在停止位发送完毕，只有自动加载数据，在加载数据的同时，u d r e 置位并一直保持到有新数据写入u d r 。如果u d r 没有新数据而且停止位也已经输出一个b i t 的长度，则发送结束标志t x c 置位，u c r 的t x e n 使能u a r t 发送器当，t x e n 为0 时p d l 可用作普通i o 口，当t x e n 为1 时u a r t 输出自动连接到p d l ，强迫其为输出，而不管方向寄存器的设置数据接收接收器的前端以1 6 倍于波特率的频率对r x d 引脚进行采样，如果在此管脚处于空闲状态的时候检测到低电平，则认为这是起始位的下降沿，起始位检测序列开始，假定采样1 为第一次检测到低电平的时刻，c p u 会在采样8 、9 和1 0 对r x d 进行3 次连续采样。如果有两个或全部采样值为高，则认为当前信号是一个虚假的起始位要丢弃，m c u 将开始等待新一次的l 到0 的转换。如果检测到了一个有效的起始位，m c u 就会开始采样数据位的检测。同样是在采样8 、9 和l o 两个或3 个相同的值被认为是当前位的值。当停止位进入接收器时，3 个采样值当中必须要有两个以上为高，否则u s r 中的帧错误标志位f e凹j i j 大学硕士学位论文置位。在读u d r 之前用户应该检查f e 。不管停止位有效与否，接收到的数据都将被送入u d r ；u s r 的r x c 置位，u d r 实际上是两个物理上分离的寄存器。一个用于发送，一个用于接收。读取u d r 时，访问的是接收u d r ，而在写u d r 时，访问的是发送u d r 。如果数据格式为9 位，则u c r 的r x b 8 在数据传送到u d r 时加载到发送移位寄存器的位9 。如果在读取u d r 之前，u a r t 又接收到一个数据，则u s r 的o r 置位，这表明数据无法转移到u d r 而丢失了，o r 一直保持到u d r 被读取。因此，如果波特率比较高或者c p u 负载比较重，用户应该在读u d r 时，首先检测0 r 标志，如果r x e n 为0 ，则接收器不工作。p d o 可以用作普通t o 口，而若r x e n 置位，则u a r t 接收器连接到p d o ，强迫其作为输入而不管方向寄存器的设置；当u c r 的c h r 9 为1 时，收发的数据格式为9 位，要发送的第9 位是u c r 的t x b 8 要在写u d r 之前设置，而接收到的第9 位是r x b 8 。( 2 ) a v r 单片机串行接口技术p 1串行通信中涉及的问题有接口标准、通信控制芯片、通信介质的选择以及接口电平的调整等。接口标准、通信控制芯片、通信介质选择主要考虑的原则是：a 可靠性在串行通信中主要传送的是数据、指令，对传输的要求高，不允许有传输错误，因此，在串行通信的各个环节上都要保证有可靠的传输。其中包括在满足传输环境要求的接口标准选择，因为不同的接口标准只有在满足特定的条件才能可靠的工作；芯片可靠性保证措施，以及根据环境状况选择通信介质等。可靠性是串行通信接口设计中考虑的基本原则。b 通信速度和通信距离通常的标准串行接口的电气特性都有满足可靠传输的最大通信速度和传送距离指标。通常，这二个指标具有相关性，适当降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。c 通信接口的抗干扰能力通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，相互通道的环境往往十分恶劣，因此在通信介质、接口标准选择方面要充分注意其抗干扰能力，以及其抗干四川大学硕士学位论文扰的措施设置。例如，在长距离传输时，使用电流环技术，不仅使电流环路大大降低对噪声的敏感程度，而且也便于在通信的二端点处提供电气隔离。在高噪声污染环境中采用光纤介质进行数据传输是解决噪声干扰，实现光电隔离的最好办法。在本系统中，由于数据传输的距离很短( 不超过2 米) ，而且干扰少，从数据安全和通用性角度考虑，在本系统中采用目前使用得非常广泛的r s 一2 3 2 c 标准串行接口。r s 一2 3 2 介绍r s 一2 3 2 是美国电子工业协会e i a ( e 1 e c t r o n i c l n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ) 公布的串行通信标准，r s 是英文“推荐标准”的字头缩写，2 3 2 是标识号，c 表示该标准修改的次数。最初发展r s 2 3 2 标准是为了促进数据通信在公用电话网上的应用，通常要采用调制解调器( m o d e m ) 进行远距离数据传输。2 0 世纪6 0 年代中期，将此标准引入到计算机领域，目前广泛应用于计算机与外围设备的串行异步通信接口中，除了真正的远程通信外，不再通过电话网调制解调器。r s 2 3 2 的接口机械特性r s 2 3 2 对连接器件没有做具体的规定，有2 5 针和g 针二种。9 针的出现是为了简化通信过程，减少设备间连线的复杂程度，目前一般使用的都是9 针的d 型连接器。r s 2 3 2 的接口电气特性r s 2 3 2 定义了4 条数据线，3 条定时线，2 条地线和l i 条控制线。规定3 v 一1 5 v 为高电平，一3 v 一一1 5 v 为低电平，允许有2 v 的噪声容限。r s 2 3 2 的主要接口信号功能描述t x d ：发送数据，d t e 通过此线向d c e 发送数据：r x d ：接收数据，d c e 通过此线向d t e 发送数据；以上是常用的信号线功能描述，其余的信号线很少用到。( 3 ) 串行通信的实现在本系统中，从程序稳定、可靠以及简易性出发，通讯数据的发送采用了查询的方式。c p u 通过查询串行通信口的状态决定是